Drug partitioning in nuclear condensates There is increasing interest in the function of phase-separated biomolecular condensates in cells because of their distinct properties and expanding roles in important biological processes. Klein et al. considered the fate of small-molecule therapeutics in the context of nuclear condensates (see the Perspective by Viny and Levine). They show that certain antineoplastic drugs have physicochemical properties that cause them to concentrate preferentially in condensates, both in vitro and in cancer cells. This property influences drug activity, and protein mutations that alter condensate formation can lead to drug resistance. Optimizing condensate partitioning may be valuable in developing improved therapeutics. Science , this issue p. 1386 ; see also p. 1314

Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.

The shape of most animal cells is controlled by the actin cortex, a thin, isotropic network of dynamic actin filaments (F-actin) situated just beneath the plasma membrane. The cortex is held far from equilibrium by both active stresses and turnover: Myosin-II molecular motors drive deformations required for cell division, migration, and tissue morphogenesis, while turnover of the molecular components of the actin cortex relax stress and facilitate network reorganization. While many aspects of F-actin network viscoelasticity are well-characterized in the presence and absence of motor activity, a mechanistic understanding of how non-equilibrium actin turnover contributes to stress relaxation is still lacking. To address this, we developed a reconstituted in vitro system wherein the steady-state length and turnover rate of F-actin in entangled solutions are controlled by the actin regulatory proteins cofilin, profilin, and formin, which sever, recycle, and nucleate filaments, respectively. Cofilin-mediated severing accelerates the turnover and spatial reorganization of F-actin, without significant changes to filament length. Microrheology measurements demonstrate that cofilin-mediated severing is a single-timescale mode of stress relaxation that tunes the low-frequency viscosity over two orders of magnitude. These findings serve as the foundation for understanding the mechanics of more physiological F-actin networks with turnover, and inform an updated microscopic model of single-filament turnover. They also demonstrate that polymer activity, in the form of ATP hydrolysis on F-actin coupled to nucleotide-dependent cofilin binding, is sufficient to generate a form of active matter wherein asymmetric filament disassembly preserves filament number in spite of sustained severing.

Biomolecules exist and function in cellular micro-environments that control their spatial organization, local concentration and biochemical reactivity. Due to the complexity of native cytoplasm, the development of artificial bioreactors and cellular mimics to compartmentalize, concentrate and control the local physicochemical properties is of great interest. Here, we employ self-assembling polypeptide coacervates to explore the partitioning of the ubiquitous cytoskeletal protein actin into liquid polymer-rich droplets. We find that actin spontaneously partitions into coacervate droplets and is enriched by up to ≈30-fold. Actin polymerizes into micrometer-long filaments and, in contrast to the globular protein BSA, these filaments localize predominately to the droplet periphery. We observe up to a 50-fold enhancement in the actin filament assembly rate inside coacervate droplets, consistent with the enrichment of actin within the coacervate phase. Together these results suggest that coacervates can serve as a versatile platform in which to localize and enrich biomolecules to study their reactivity in physiological environments.

ABSTRACT Biomolecular condensates are membrane-less organelles made of multiple components, often including several distinct proteins and nucleic acids. However, current tools to measure condensate composition are limited and cannot capture this complexity quantitatively, as they either require fluorescent labels, which we show can perturb composition, or can distinguish only 1-2 components. Here, we describe a label-free method based on quantitative phase microscopy to measure the composition of condensates with an arbitrarily large number of components. We first validate the method empirically in binary mixtures, revealing sequence-encoded density variation and complex aging dynamics for condensates composed of full-length proteins. In simplified multi-component protein/RNA condensates, we uncover a regime of constant condensate density and a large range of protein:RNA stoichiometry when varying average composition. The unexpected decoupling of density and composition highlights the need to determine molecular stoichiometry in multi-component condensates. We foresee this approach enabling the study of compositional regulation of condensate properties and function.